Астраханская область, Россия
ГРНТИ 67.29 Объекты строительства
ББК 38 Строительство
Научно-технический прогресс все увеличивает скорость роста, тем самым повышая потребность в энергии во многих отраслях народного хозяйства. Путь, на который вступили раз-витые страны после 70-ых годов прошлого века – это путь энергосбережения. Российская Федерация пока идет по пути наращивания потребления энергоресурсов. Не исключением является жилищно-коммунальное хозяйство. Около 80 % энергоресурсов жилищно-коммунального хозяйства идет на обеспечения отопления зданий. Такой большой процент объясняется снижением энергоэффективности зданий в связи с истекшим сроком службы строительных конструкции зданий, а также не соблюдения нормативов при возведении новых. Если в решении этого вопроса обратиться к опыту развитых стран, то можно увидеть пути ре-шения этого вопроса. Одно из тенденций энергосбережения – это использования солнечной энергетики. Есть два способа применения солнечной энергии: пассивный метод (улучшения характеристик здания) и активный метод (гелиоколлектор). Один из замыслов энергосбережения в пассивном доме связан с архитектурно-планировочными решениями: применение стены «Тромба-Мишеля»; создание стеклянного каркаса для защиты здания от негативного воздействия окружающей среды, так называемые «дома – теплицы». При эксплуатации в России имеются ряд недостатков. В первом случае – это низкое термическое сопротивление ограждающих конструкций (остекления), во втором случае – это высокая стоимость капитальных вложений при постройке та-кого дома. При комбинировании этих двух видов, можно предложить использовать воздушную прослойку, которая позволяет увеличить термическое сопротивление ограждающей конструкции на 30 %.
солнечная энергетика, стена «Тромба-Мишеля», энергосберегающие технологии, воздушная прослойка, «пассивный» дом, термическое сопротивление ограждающих конструкций
Введение. На данный момент одной из главных проблем современного мира является наращивание темпа развития промышленности, за которым стремится и рост потребления энергоресурсов. Особенно это актуально для стран с развивающейся экономикой, к их числу принадлежит и Россия. Одной из ведущих отраслей, расходующих значительное количество природных ресурсов в нашей стране, считается система жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ). Современную Россию можно назвать северной страной: ее основная часть расположена между 70°и50°северной широты, около 20% территории лежит за Северным полярным кругом, следовательно, на отопление зданий тратится до 80% от общего числа тепловой энергии, потраченной на ЖКХ. Во всех развитых странах эта цифра падает, однако в России она растет. Из этого вытекают два важных для нас момента: увеличение строительства нового жилья и ухудшение качества эксплуатируемого, построенного до 2000 года [1–2].
В связи с последними тенденциями на мировом рынке энергоресурсов в России все больше и больше внимания уделяется вопросу энергосбережения. На государственном уровне давно принят закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», однаков данный момент ситуация в сторону экономии не сильно продвинулась, регионах она складывается еще хуже [3]. Некоторые строящиеся дома еще не соответствуют нормативным документам (СНИПам и ГОСТам). Повышение цен на топливно-энергетические ресурсы внутри страны уже началось: первое повышение коснулось цены бензина, постепенно будут повышаться прейскуранты газа и электричества. Следовательно, российскому потребителю придется использовать энергосберегающие технологии
Основная часть В странах ЕС программы по снижению энергопотребления начали разрабатываться с 80-ых годов прошлого века, поэтому изучение их опыта и применение его на практике насущно и для нашей страны [4–5].
Разумеется, нельзя идентифицировать климат северных европейских стран с климатом нашей страны: различия наблюдаются и в продолжительности отопительного периода, и в средних наружных температурах; однако некоторые решения можно применить и в наших условиях. Энергосбережение в области ЖКХ стран ЕС идет в трех направлениях:
1. Сокращение теплопотерь зданиями (термос-здания);
2. Пассивное и активное использование возобновляемых источников энергии (солнечные коллекторы и ветрогенераторы);
3. Внедрение новых информационных технологий в управление микроклиматом внутри здания, так называемый «умный дом» [15].
Рассмотрим второе направление более подробно. Проанализируем использование солнечной энергии в условиях Российской Федерации. Солнце является причиной многих необходимых процессов на нашей планете, его энергия дарит нам жизнь, так как является ее источником. Оно также участвовало в создании энергоресурсов, которые активно тратятся сейчас. Солнечная энергетика в свою очередь является одним из перспективных направлений развития возобновляемых источников энергии.
По данным исследований, проводившихся в Институте энергетической стратегии, солнечная энергетика в России составляет более 2300 млрд тонн условного топлива, экономический потенциал – 12,5 млн т.у.т. Стоит, однако заметить, что ввиду особенности географического расположения Российской Федерации, мощность солнечной радиации значительно изменяется от 810 кВт-час/м2в год в отдаленных северных районах, до 1400 кВт-час/м2 в год в южных районах. Еще одним немаловажным фактором влияющим на плотность солнечной энергетики являются сезонные колебания, максимальные в летний период (11,41кВт-час/м2в день), минимальные, соответственно в зимний период (1,69кВт-час/м2) [1,6].
Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей), в Южной Сибири, и на Дальнем Востоке. Наиболее перспективные регионы в плане использования солнечной энергетики – Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе, Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия и другие регионы на юго-востоке. Причем некоторые районы Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока превосходят уровень солнечной радиации южных регионов [7].
Как же можно использовать солнечную энергетику? Есть два способа – активный (солнечные батареи и солнечные коллекторы) и пассивный. Доминирующей концепцией дома пассивного вида становится архитектурно-планировочное решение. В эксплуатируемый объем здания должно как можно больше попадать солнечной энергии от зимнего солнца. Поэтому дом должен быть ориентирован по сторонам света. Планируется, что северная часть дома будет глухо и хорошо термоизолированной, противоположная часть (южная) будет как можно больше иметь больших панорамных окон для поглощения солнечной энергии. Пассивный способ получение пользы от солнца состоит в том, что солнечная энергия проникает в здание через ограждающие конструкции. Для более эффективного использования этой энергии, ограждающие конструкции должны быть из светопрозрачного материала. Чаще всего используют стекло или бесцветный сотовый поликарбонат. Сотовый поликарбонат – достаточно капризный материал, который требует особых условия хранения перед установкой, а также высококачественной профессиональной установки. Только в этом случае получается конструкция, сохраняющая эксплуатационные свойства на десяток лет. Стекло, а именно стеклопакеты, являются более дорогим материалом, но менее требовательны к условиям хранения и установки. Чтобы наиболее эффективно использовать стеклопакеты, лучше всего устраивать панорамное остекление: во-первых, по максимуму используется благоприятное воздействие естественного освещения на организм человека, а во-вторых, свет наиболее полно попадает внутрь помещения [8–9].
Известный пример применения пассивного использования солнечной энергии – это стена «Тромба-Мишеля» (рис. 1) [10].
Рис. 1 Стена «Тромба-Мишеля»:
1 – здание; 2 – массивная стена; 3– остекление;
4 – отверстия для прохождения воздуха; 5 – нагретый воздух; 6 – воздух; 7 – воздушная прослойка;
8 – отапливаемое помещение.
Разберем принцип ее работы: через остекление (3) солнечные лучи попадают внутрь помещения (8), где они нагревают стену (стена должна быть массивной и окрашена в черный цвет), после того как стена нагреется, она отдает теплообогреваемому помещению, также используется рассеянное излучение, образующее в воздушной прослойке (7), путем нагревания воздуха, который через отверстия (4) попадает в помещение.
Еще один вид здания пассивного типа – это дома-теплицы. Дом закрывается каркасом из стекла, который защищает его от негативного воздействия климата и является теплоизолятором для дома, тем самым увеличивая энергоэффективность. За счет чего это происходит? Внутри пространства каркаса создаются тепловые потоки воздуха, не дающие теплу от дома уходить в холодную окружающею среду. Еще одна полезная опция – возможность устраивать приусадебные участки и выращивать огородно-культурные растения даже в северных странах. Впервые идея такого дома прозвучала в 70-х годах прошлого века, но тогда большого распространения она не получила. Сейчас, с развитием строительных технологий, в ЕС вновь вернулись к этой забытой идее.
Проблема домов, использующих стену «Тромба-Мишеля»–это большие панорамные окна, необходимые для прохождения солнечного света. Как известно, остекление имеет достаточно низкий коэффициент термического сопротивления теплопередачи (Ri), даже при наличии пятикамерных окон с двухкамерным остеклением коэффициент составляет в среднем0,6 м2·°С/Вт.
Общие теплопотери через конструкцию складываются как удельные теплопотери через ограждающую конструкцию [11–12]:
(1)
где qо.к – плотность теплового потока через ограждающие конструкции, Вт/м2; Dt – температурный напор между грузом и расчетной наружной температурой:
Dt = tв – tн; (2)
a – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); Ri – приведенной коэффициент сопротивления теплопередачи ограждающей конструкции, м2·°С/Вт.
Индексы: в – расчетные параметры внутренней среды, i – параметры ограждающей конструкции, н – расчетные параметры окружающей среды, о.к – ограждающая конструкция.
Суммарные теплопотери будут определяться через площадь наружной конструкции по формуле:
Qо.к =qо.к ·Fо.к (3)
где Q – тепловой поток, Вт; F – площадь, м2.
Коэффициент теплоотдачи воздуха со стороны внутренней стенки можно взять из таблицы 4 (СНиП 23-02-2003):
αв =8 Вт/(м2·К)
αн =23 Вт/(м2·К)
Подставив значения, мы получим: qо.к.= 42 Вт/м2, а для стены по нормативным значениям: qо.к. –14 Вт/м2.Разница есть ощутимая. Сложности использовании дома-теплицы– это дорогостоящие технологии возведения стеклянных каркасов. Не каждая фирма возьмется за этот проект, да и конечному потребителю он обойдется не дешево.
А что, если скомбинировать эти два вида (рис. 2), тогда у нас получится здание с воздушной прослойкой.
Рис. 2. Здание с воздушной прослойкой:
1 – здание; 2 – горизонтальные жалюзи;
3 – остекление; 4 –воздушная прослойка;
5 –отапливаемое помещение; 6 –отверстие для прохождения воздуха
Например, стену можно сделать не массивной, а достаточно легкой, и материал заменить не на поглощающий, а на отражающий, сделать что-то похожее на горизонтальные жалюзи. Солнечная энергия проходила бы через стекло (3), попадала бы на стену (2) и отражалась, рассеиваясь и тем самым нагревая воздух в воздушной прослойке (4). По законам физики теплый воздух поднимается вверх, упирается в потолок и холодное стекло, тем самым охлаждаясь, и опускаясь вниз. При условии, если у нас ограничена толщина воздушной прослойки, то воздуху значительно сложнее опускаться вниз, встречные потоки воздуха затрудняют ему движения. В результате этих движений структура потоков имеет ячеистый характер, не дающий тепловой энергии выходить через окно в окружающую среду. Такое движение воздуха наблюдается в домах-теплицах под стеклянным каркасом. В теплый период года для предотвращения попадания теплого воздуха внутрь помещения используются отверстия (6) в остеклении. Они позволяют нагретому воздуху из воздушной прослойки выходить в окружающую среду, уменьшая тепловую нагрузку на помещение. Теперь при расчете теплопотерь к сопротивлению теплопередачи ограждающих конструкций добавится сопротивление воздушной прослойки Rв.п.:
(4)
Вычислим Rв.п., используя приложение Е (СНиП 23-02-2003). После уточнения толщины воздушной прослойки во время вычислений итераций получается; Rв.п. = 1,219 м2·°С/Вт. Подставляем значение в (4), получаем: qо.к=21Вт/м2. Если сравнить с утепленной стеной (14 Вт/м2), результат не дотягивает, но по сравнению с остеклением (42 Вт/м2) наблюдается улучшение сопротивления теплопередачи.
Выводы В ходе проведенного обзора была рассмотрена только малая возможность применения энергосберегающих технологий, которая активно используется в развитых странах. Применение этих принципов требует согласования с нашими климатическими условиями. Проанализировав географические условия можно сделать вывод о выгодности использования солнечной энергии даже в такой северной стране, как Российская Федерация. Конечно, стоит учитывать поправки на климат и другие особенности природы разных районов государства [13–14]. Увидели, что принципы, известные в странах, сделавших ставку на энергосбережение, можно и нужно применять в нашей стране. В ходе работы были изучены два вида здания пассивного энергосбережения, выявлены их особенности, применение которых позволит снизить теплопотери строения в окружающую среду, а также их недостатки, тормозящие массовое распространение. Предложено комбинированное использование двух рассмотренных видов здания, подсчитан процент улучшения термического сопротивления (почти в два раза). В натурных замерах это не будет выглядеть таким впечатляющим, но снижение на 30% можно спрогнозировать. Стоит также отметить, что на активное использование новых энергосберегающих технологий влияет ситуация на внутреннем рынке энергоресурсов, однако совсем скоро ситуация будет меняться – нефть и газ будут дорожать. Следовательно, картина на рынке энергосберегающих технологий в России рано или поздно изменится [16].
1. Овчинников Ю.В., Григорьева О.К., Францева А.А. Энергосбережение в тепло-энергетике и теплотехнологиях: учеб. пособие. Новосибирск: изд-во НГТУ, 2015. 258с.
2. Волков А.А., Вахидова Б.Р. Энергосбе-режение в строительстве: из опыта стран ЕС // Интерактивная наука. № 7. С. 33-35.
3. Виньков А., Имамутдинов И., Медовников Д., Оганесян Т., Розмирович С., Хазбиев А., Щукин А. Инновации в строительном кластере: барьеры и перспективы. [Электронный ресурс] // Режим доступа: www.rusdr.ru.
4. Фадеев А.В. Практика мирового энергосбережения: технологии и инструменты // Информационный бюллетень «Энергосовет». 2010. №5 С. 15-16.
5. Шуткин О.И. Проблемы использования солнца [Электронный ресурс]. URL http://www.ng.ru/energy/2011-10-11/9_sun_energy.html
6. География России [Электронный ресурс]. - URL https://geographyofrussia.com.
7. Матчина Е. Типы климата в России: описание, характеристики и особенности [Электронный ресурс]. URL https://www.syl.ru/article/370592/tipyi-klimata-v-rossii-opisanie-harakteristiki-i-osobennosti
8. James Ayre . Passive Solar House Design Basics - Orientation, Design Elements, & Materi-als - [Электронный ресурс]. URL https://cleantechnica.com/2018/03/31/passive-solar-house-design-basics-orientation-design-elements-materials/
9. Максимова Л. М. Дом-термос, или как не платить за отопление [Электронный ре-сурс]. URL https://www.eprussia.ru/teploenergetika/25/3187731.htm
10. Конев А.А. Стена Тромба в до-ме - как использовать пассивное солнечное тепло [Электронный ресурс]. URL http://gidproekt.com/stena-tromba-v-dome-kak-ispolzovat-passivnoe-solnechnoe-teplo.html.
11. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е стереотип. М.: Энергия, 1977. 344с.
12. Кутателадзе С. С. Основы тео-рии теплообмена. Изд. 5-е перераб. и доп. М.: Атомиздат, 1974. 416с.
13. Энергоэффективность и энергосбережение как факторы успешности бизнеса: проблемы и решения [Электронный ресурс] URL https://www.kp.ru/guide/ienergosberezhenie-i-povyshenie-ienergeticheskoi-ieffektivnosti.html
14. Пашута О. Энергоэффектив-ность зданий и сооружений [Электронный ре-сурс]. URL http://fb.ru/article/369581/energoeffektivnost-zdaniy-i-soorujeniy
15. Van Decker, G.W.E., K.G.T. Hol-lands, and A.P. Brunger. 2001. Heat-exchange relations for unglazed transpired solar collectors with circular holes on a square of triangular pitch // Solar Energy. 2001. Vol. 71. No. 1. pp 33-45.
16. Москалёва Е. Г., Чегодайкина Ю. А., Шукшина М. А. Проблемы и перспективы развития энергосбережения в российской строительной отрасли // Молодой ученый. 2015. №8. С. 585-587. URL https://moluch.ru/archive/88/17125/ (дата обра-щения: 18.07.2018).
